薅一昝 ＿研一鍪 Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｒｅｓｅ￣ｃｈ 无油涡旋压缩机动力学分析与研究 邵兵。任嵘 （兰州理工大学机电工程学院，甘肃兰州７３００５０） 【摘要】：为了研究无油涡旋压缩机主要部件的动力学特性，采用理论分析与软件仿结合的方法，建立了无油涡旋压 缩机的动力学模型，通过动力学仿真分析了主要运动部件的受力情况。研究结果表明，动涡盘所受的轴向气体力和切向气 体力是影响气体泄漏的关键因素，仿真结果也为后续进一步压缩机研究提供了参考。 【关键词】：无油涡旋压缩机；动力学；ＡＤＡＭＳ；仿真分析 中图分类号：ＴＨ４５５ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００６—２９７１（２０１５）０３—００１７—０４ Ｄｙｎａｍｉｃｓ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ｏｉｌ－ｆｒｅｅ Ｓｃｒｏｌｌ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ ＳＨＡＯ Ｂｉｎｇ，ＲＥＮ Ｒｏｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｌａｎｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００５０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｏｉｌ－ｆｒｅｅ ｓｃｒｏｌｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ，ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｏｒｃｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｍｏｖｉｎｇ ｐａｒｔｓ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｘｉａｌ ｇａｓ ｆｏｒｃｅｓ ａｎｄ ｔａｎｇｅｎｔｉａｌ ｇａｓ ｆｏｒｃｅｓ ａｒｅ ｔｈｅ ｋｅＹ ｆａｃｔｏｒｓ ｔｈａｔ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｔｈｅ ｇａｓ ｌｅａｋａｇｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｌｓｏ ｐｒｏｖｉｄｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ ｆｏｒ ｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｓｃｒｏｌｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｏｉｌ－ｓｃｒｏｌｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ；ｄｙｎａｍｉｃｓ；ＡＤＡＭＳ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ １引言 涡旋压缩机自问世以来就以其高效可靠、结 构紧凑、污染小而著称。随着能源危机和科学技 方法建立了模型，从而得出了涡旋盘吸气结束瞬 间及主轴转动一周的应力及变形［２１；兰州理工大学 的李超教授在前者的基础上进行了综合分析，把 涡旋盘在气体力、温度场和惯性力综合作用下的 应力和变形分布情况进行整体研究，得出了最大 应力发生部位【 １；天津大学的赵树峰等则分析了整 个载荷循环过程中，压缩机涡旋盘所发生的应力 及应变情况 ；兰州理工大学的赵嫂、李超等人分 术的飞速发展，涡旋压缩机的研究理论日益丰富， 产品制造技术突飞猛进，取得了大量的研究成果。 涡旋压缩机的主要零部件如动静涡旋盘、轴 等的动力学特性，直接影响到涡旋压缩机的工作 效能和寿命。许多学者已经在动力学研究方面取 得了不少理论成果，其中江苏理工大学的张立群 为了得到涡旋压缩机涡旋盘在实际工作环境下的 变形规律，首先对实际工况下的涡旋盘所受载荷 进行了分析，然后据此建立了相应的有限元模型， 再使用有限元分析软件对静涡旋盘进行了相应的 析了轴承所受径向的载荷力和径向间隙问题及产 生的倾覆力矩等相关参量对滚针轴承受力特征和 性质的影响，为动力学与摩擦学的耦合问题研究 提供了一定的理论依据嘲；吉林化工学院的高艳等 人推导了双头涡旋齿涡旋压缩机的运动构件的受 力公式『６１。以上研究多以有限元方法为基础进行分 析研究，而很少采用虚拟样机研究的方法进行动 力学分析研究。 所以本文采用虚拟样机研究的方法对无油涡 变形分析，从而为涡旋盘改进提供了第一手资料Ⅲ； 兰州理工大学的刘振全教授也使用有限元分析的 收稿日期：２０１４—１１－２８ —２０１５年０３期（总第２５１期） ；设计研究 ｌ Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｒｅｓｅａｒｃｈ 旋压缩机主要零部件动涡旋盘进行了相应的动力 学分析以及探究，从虚拟仿真结果中可以得出动 涡旋盘在气体力作用下的受力变化，为样机的结 构优化及进一步研究涡旋压缩机提供可靠依据。 ２涡旋压缩机理论基础 无油涡旋压缩机的主要零部件有相互啮合在 一起的动、静涡旋盘、电机驱动的曲轴、壳体等。 其中２个动、静涡旋盘对插在一起，在曲轴的与防 自转机构的约束下，从而实现公转平动。随着动 涡旋盘转动，使得形成的数对闭合的压缩腔容积 周期性的由大变小，实现压缩过程，如图ｌ所示。 涡旋压缩机基本参数，见表１。 静涡盘 动涡盘十字滑环 曲轴 图１ 涡旋压缩机基本机构 表１ 涡旋压缩机主要变量参数表 变量名称 变量符号 变量数值 基圆半径 ２．Ｏ６９ｍｍ 涡旋齿高 ｈ ３０ ｍｍ 涡旋齿厚 ｔ ４ ｍｍ 渐开线节距 ｐ＝２ ａ １３ ｍｍ 动静涡盘基圆中心距离 ｒ＝ｐ／２－ｔ ２．５ ｍｌｎ 渐开线发生角 ５５．４。 涡旋圈数 Ⅳ ３．２５ 修正展角 击 耵，８ 修正角 １ｒ／１８Ｏ 开始排气角 ２订一 ／１８０ ３运动部件动力学模型 涡旋压缩机动、静涡旋盘所受的力有气体力 和非气体力两大类。由于涡旋压缩机动、静涡旋 盘是对插在一起的，因此所受气体力大小相等、 方向相反。而静涡旋盘中产生的气体力则会作用 到外壁上，这种冲击力使压缩机产生振动进而形 成噪声。但是这些振动和噪声产生的相对影响比 其他类型的压缩机还是很小的。即便是影响很小， 只要气体力对无油压缩机的动涡旋盘产生作用， 就会直接改变涡旋压缩机的容积效率和机械效率， 因此对这些气体力的研究对提高压缩机工作能力 有着不可或缺的作用。通常情况下作用在压缩腔 涡旋盘上的气体力，根据作用方向的不同，可以 分为轴向气体力、切向气体力以及径向气体力， 以下以动涡旋盘为研究对象。 ３．１轴向气体力 轴向气体力是检测无油涡旋压缩机性能的重 要因素，是涡旋盘受力中占主导地位的气体力， 轴向气体力如果过大会使得动涡旋盘沿着轴向会 发生脱离，轴向间隙相应的也会增大，进而增大 了径向气体泄漏量【７Ｊ。 由于ｒ＜２ａ，故基圆之间围城的面积Ｓ 为 Ｓｌ１＝ ｚ／２｛（１Ｔ一４ ）＋２ｃｏｓ （，ｒｒ／２—０【）一（１Ｔ一２仅）ｓｉｎ ［ＣＯＳ （，ｒｒ／２—０【）］ｌ （１） 当曲轴转角 随着压缩过程进行变化时，其中 心压缩腔内轴向气体力的作用面 也在变化。 当０≤ ＜ 时 Ａ＝ａ２／３｛（２．５１Ｔ一 ）３（１．５１Ｔ一 ） ｝一ＪｓＬｌ （２） 当 ≤０＜２＇ｒｒ时 Ａ ＝ａ２／３｛（４．５＇ｒｒ一 ） 一（３．５＂ｒｒ一 ） １一．ｓＬｌ （３） 故轴向气体力为 当Ｏ≤ ＜ 时 ｒ ３ ２５ １ 叩 ｐ２ Ａ １，叩 ＋∑（２ 一１一Ｏ／＇ｒｒ）ｐｉ ｌ （４） ｉ＝２ 当 ≤０＜２＇ｒｒ时 ｒ ３ ２５ 、 Ｆ￣＝Ｔｒｐ。Ｐ Ａ ｐｌｌ￣ｒｐ ＋∑（ｉ＝２ ２ 一Ｏ／＇ｒｒ）ｐ。Ｉ （５） 式中Ｐｉ——压力比，Ｐｉ＝｛（５．５一Ｏ，ｌ￣）／（２ｉ一１一 叮『）｝ ——等熵指数，ｋ＝ｌ，２ 卧一吸气结束角， ＝耵 ｐ 一吸气压力，ｐｓ＝１．Ｏ１ Ｐａ 主轴转角，０≤ ≤２＂ｒｒ ２０１５年ｏ３期（总第２５１期）簟 ３．２切向气体力 切向气体力垂直于动、静涡盘的基圆中心连线 方向上，其径向方向上的气体力会推动涡盘转动。 切向气体力为 ３ ２５ ＿ｐ ∑（２ｉ一０／￣ｒ）（ｐｉ－ｐｉ＋。） （６） ＿－１ ３．３径向气体力 径向气体力方向沿两涡盘的基圆中心连线， 其径向方向上作用的气体力导致动涡盘中心向静 涡盘中心移动，使切向气体力随着径向间隙变大 而增加。 径向气体力 Ｅ＝２ａｈｐ （ｐ ｄ－１） （７） 式中ｐ厂一排气压力，ｐｄ＝６．０ Ｐａ ４动力学仿真分析 ４．１ 三维模型的建立 根据实验样机无油压缩机实体尺寸，用三维 绘图软件Ｐｒｏ／Ｅ对涡旋压缩机进行建模，并在虚拟 环境中完成装配，见图２。 图２建模实体图 ４．２添加约束及驱动方式 紧接着把前面已经建立好的虚拟样机导人 ＡＤＡＭＳ中，在ＡＤＡＭＳ中进行仿真分析。以无油涡 旋压缩机的实际运动情况为依据，在虚拟样机上 添加约束和驱动方式（８－９１。压缩机外壳与地面、静涡 旋盘和外壳、平衡块和曲轴分别相对静止，分别 给这几个部件添加固定副；曲轴作圆周运动，故 添加转动副；动涡盘作公转平动运动，故施加圆 柱副，而在十字滑环上施加移动副。 电机带动无油压缩机运动，故在曲轴上创建 旋转驱动，曲轴转速为２８９０ ｒ／ｍｉｎ，即大小为 一２０１５年０３期（总第２５１期） 设计研究； Ｄ～ｅｓ咖 ； １７３４０。／ｓ。 ４．３施加驱动力 在无油涡旋压缩机的虚拟样机仿真分析中， 需要施加的力主要是气体力，分别为轴向气体力、 切向气体力和径向气体力。这３种气体力相对复 杂，故根据３．１—３－３中气体力公式，借助ＳＴＥＰ和ＩＦ 函数来模拟气体力。 ５动力学仿真分析 经过以上步骤，无油涡旋压缩机仿真条件设 置完毕，通过动力学仿真软件ＡＤＡＭＳ动力学仿真， 得到无油涡旋压缩机动涡盘所受气体力在一个周 期内的变化曲线，如图３所示。 从图３可以看出轴向气体力对压缩机的作用大 于切向气体力和径向气体力。 图３动涡盘气体力随转角变化图 ６结论 （１）通过对涡旋压缩机主要运动部件即动涡 盘上所受的气体力的仿真分析可知，轴向气体力 随主轴转角变化幅度最大，对压缩机工作性能影 响最大，径向气体力与主轴转角无关。同时，轴 向气体力过大不仅会影响轴向间隙，还会导致径 向气体泄漏量的变化；而径向气体力过大也会使 径向间隙增大，从而径向间隙的气体泄漏量增加， 必须控制气体力的作用，并采取措施改进。 （２）因此，本文为后续研究平衡轴向气体力， 降低摩擦功耗，防止泄漏量增大提供了参考；同 时相比较理论计算，使用虚拟样机软件Ｐｒｏ／Ｅ和 ＡＤＡＭＳ进行建模仿真，能更形象反映运动特性， 进而缩短了产品研发时间，为进一步分析、优化 提供了技术支持。 （下转第４４页） ｌ藕讥应用 ｌ 口’Ａｐｐｌｉｅａｔｕｍ 流道中的泄漏流。 由以上含义我们可以看出，其中流路Ｂ所占有 的百分比越大则越有利于换热，是我们所希望得 到的，但在通常情况下流路Ｂ很难达到一个理想的 百分比，此台冷却器流路Ｂ为０．５５８，已经达到了较 为理想的数值。 （３）对于一台冷却器，纯逆流状态是最理想 ３结论 应用上述软件对压缩机级间冷却器进行工艺 计算，能够保证： （１）冷却器的换热面积和换热余量准确； （２）分析出工艺流体在冷却器内发生的物性 变化过程； 的情况，但是对于多管程、壳程换热器很难做到， 所以所设计出来的冷却器能否实现“换热”作用， 需要一个判定的方法。当一台设备所有参数输入 （３）准确计算出相变介质析出液体的含量， 以及出口介质组分； 完毕并进行计算后，我们可以查看该冷却器的热 交换曲线，如图２所示。 （４）根据运行报告提示，可以对冷却器的结 构进行优化设计。 运用ＨＴＲＩ计算方法对冷却器进行工艺计算已 经得到山西潞安（集团）有限责任公司项目组和 设计院专家的一致认可。目前，为山西潞安（集 团）有限责任公司油品合成装置项目往复压缩机 ｐ 所配套的冷却器在用户现场投入使用，经用户反 馈，冷却器运行稳定、冷却效果良好。实践证明， 赠 利用ＨＴＲＩ软件进行冷却器工艺计算具有一定的实 用价值和推广意义。 管束长度（ｍ】ｎ】 参考文献： 图２ ［１】郁永章，等．容积式压缩机技术手册［Ｍ】．北京：机械工业 出版社，２０００：８６８—８９４． 图２中横坐标为管束长度，纵坐标为温度，如 果冷热流体的２条曲线没有交点，则说明此台设备 设计是合理的，换热过程可以实现，如果有交点 ［２】钱颂文，等．换热器设计手册【Ｍ】．北京：化学工业出版社， ２００２：１一ｌ４． 【３］活塞式压缩机设计编写组．活塞式压缩机设计【Ｍ】．北 （俗称“假点”），说明换热过程在实际工作中不可 能实现，即使有足够的换热裕量也是难以实现的。 图２中显示冷热流体２条曲线无交点，说明该冷却 器可以在实际工作中实现换热效果。 京：机械工业出版社。１９７４：４３９—５１６． 作者简介：李首霖（１９８７一），男，本科，助理工程师，毕业于辽宁工业 大学，就职于沈阳鼓风机集团股份有限公司往复机事业部，从事压 力容器设计工作。 （上接第１９页） 参考文献： 【１】张立群，刘振全．涡旋压缩机静涡旋盘实际工况下的变 性研究［Ｊ】．振动、测试与诊断，２０１３，３３（１）：１８—２０． ［６】高艳，刘跃卓，刘振全．双头涡旋齿涡旋压缩机运动构件 受力模型研究『Ｊ１．压缩机技术，２０１４，２４３（１）：９一ｌ１． 形分析［Ｊ】．流体机械，２０００，２８（２）：１８—２０． 【２］刘振全，戚智勇．涡旋压缩机动涡旋盘应力及变形的研 究［Ｊ１．流体机械，１９９５，２３（１０）：２３—２６． 【７】 李连生．涡旋压缩机【Ｍ】．北京：机械工业出版社，１９９８． 【８】耿葵花，杜时光，唐萌，等．平动活塞式空气压缩机的虚 拟仿真分析［Ｊ１．机械设计与制造，２０１２，（１１）：２８—３０． 【９］李增刚．ＡＤＡＭＳＡ．门详解与实例【Ｍ】．北京：国防工业出 版社．２００７． 【３】李超，谢文君，赵熳．多场耦合作用下动涡旋盘的变形和 应力研究［Ｊ］．流体机械，２０１３，４１（８）：１６—２０． 【４】赵树峰，陈旭，田涛．涡旋压缩机动涡盘的应力及变形分 析［Ｊ１．化工机械，２００３，３０（１）：１７—２０． 【５］赵墁，李超，俞树荣，等．涡旋压缩机驱动轴承的力学特 作者简介：邵兵（１９６９一），男，甘肃天水，副教授，主要从事机械理论 研究、涡旋压缩机等方面的研究工作。Ｅ－ｍａｉｌ：ｂｉｎｇｓｈａｏ１２１５＠１６３．ｔｏｍ ２０１５年Ｏ３期（总第２５１期）暖
